ساختار متمرکز کننده فوتوولتاییک

 

ساختار اصلی متمرکز کننده های فوتوولتاییک را عدسی‌ها و آینه‌های متمرکز کننده تشکیل می دهند. ساخت عدسی‌های متمرکز کننده نور در سی سال اخير پيشرفت زیادی داشته است. عدسی های غير تصویری که شاخه ای از عدسـی هـای هندسـی ميباشـند نقـش عمـده ای در تکامـل شکل عدسی های متمرکز کننده نور داشته اند. برای ایـن کـاربرد، نگرانـی بابـت انحـراف نـور در دوباره سازی تصاویر وجود ندارد بلکه هدف به حداکثر رساندن انتقـال جریـان نـور از محوطـه جـدا کننده اول به سمت دریافت کننده فوتوولتایيک ميباشد. در این کاربرد، نور ميتواند با اشعه هـای خورشـيد نمـایش داده شـود بنـابراین هندسـه لنـز بـرای توصـيف مشخصـه هـای متمرکـز کننـده مناسب ميباشد. برخی از مشخصه های اپتيکی نقـش بسـيار مهمـی در متمرکـز کننـده هـای فوتـوولتایيـک ایفـا ميکنند. این پارامتر ها هم هندسی هستند (مربوط به طراحی اجزا) و هم فيزیکی (مربوط به ساخت و انتخاب مواد) مهمترین مشخصه هـای هندسـی عبارتنـد از: ضـریب تمرکـز و زاویه پذیرش. مهمترین مشخصه های فيزیکی که باید در نظرگرفته شود عبارتنـد از: انتقـال نـور- انعکاس نور- جذب نور- پراکندگی نور.

YI  :  شاخص زردی نور

BRDF : تابع توزیع انعکاس نور در دو جهت

BTDF : تابع توزیع انتقال نور در دو جهت

BRDF : تابع توزیع انعکاس نور در دو جهت ميباشد که با پراکندگی تابش در واحد سطح تشعشـع تعریف ميشود و به روش ریاضی قابل تعریف با معادله زیر ميباشد.

θi و φi معـرف زوایـای برخـورد اشـعه ورودی در مختصـات کـروی و θs و φs معـرف جهـت هـای پراکندگی ميباشند.
Ls پرتو پراکنده شده و Ei پرتو تابش ميباشد.این مشخصه های نوری زمانی اهميت پيـدا ميکننـد که مدتی از عمر مواد و سطوح بگـذرد و باعـث پراکنـدگی ناخواسـته نـور در سـطوح بازتـابش شود.
BTDF برای بيان جزیيات پراکندگی نوراز یک سطح شفاف بکار ميرود. معمولاً پارامتری کـه بـرای توضيح پراکندگی نور در مواد شفاف بکار ميرود "ناصافی یا تيرگی" ناميده ميشود.

ناصافی عبارت است از نسبت نور پراکنده شده به کل نـوری کـه بـه یـک سـطح شـفاف مـی تابـد و معمولاً با درصد بيان ميشود. این ناصافی تعریفی ازتوزیع نور پراکنده شده به دست نميدهد.[ ASTMD 1003-97, 1997]

بعضی اوقات این نور پراکنده شده برای CPV کاملاَ از بين نميرود اگـر چـه ناصـافی یـک مـاده معمـولاً برای تخمين کارآیی متمرکزکننده ها کاربرد دارد.
تمامی این خواص بر روی راندمان نوری متمرکز کننده خورشيدی تاثير گذار است جـایی کـه رانـدمان نوری به ترتيب زیر تعریف ميشود:

هدف طراح این لنزها به حداکثر رساندن راندمان نوری، ضریب تمرکـز و زاویـه پـذیرش متمرکـز کننـده است. اگرچه برای کاربردهای فوتوولتایيک در نظر گرفتن دیگر مشخصات اپتيکی ماننـد توزیـع فاصـله تشعشع بر روی سطح دریافـت کننـده و توزیـع زاویـه برخـورد نـور بـر روی سـلولهای خورشـيدی نيـز اهميت پيدا ميکند.
در واقع دستگاههای PV با تابش صاف و زوایای برخورد کوچکتر، بهتر کار ميکنند.
ضریب تمرکز هندسی که درمعادله زیر تعریف می شود، یک نسـبت محـض بـين سـطوح اسـت کـه می تواند بصورت نامحدود رشد کند. اگرچه برای بدست آوردن یک راندمان بالا (بـرای مثـال بيشـترین انتقال انرژی نور برخوردی به یک سطح) ضریب تمرکز توسط بيشترین ميزان واگرایی اشعه های نور برخوردی به سطح، محدود می شود.

واضح است که این محدودیت مطابق با قانون دوم ترمودیناميک با در نظر گرفتن خورشـيد بـه عنـوان منبع گرما و دریافت کننده [Smestad et al., 1990]، عبارت از سينوس زاویه تابش برای یک انتقال ایده آل در حالت معمولی خود ميباشد جایی که دریافت کننده در ماده ای با شاخص شکست n غوطه ور است. این قـانون بـا معادله زیر برای یک متمرکز کننده 3 بعدی با تقارن محوری نشان داده شده است.
θin معرف بيشترین زاویه برخورد برای اشعه تابش ورودی با توجه به جهت عمـود بـر سـطح ورودی است که بيشترین اشعه را جذب ميکند و θout بيشترین زاویه اشعه ها در قسـمت دریافـت کننـده است.

در شکل زیر تصویری شماتيک از یک متمرکز کننده نشان داده شده است.

 

gc

در شکل فوق، پرتوهای ورودی با بيشترین زاویه برخورد θin در روزنه خروجـی کـه محيطی است با ضریب شکست n جمع ميشوند.

با در نظر گرفتن بيشترین تمرکز قابل حصول θout = ۹۰° بيشترین تمرکز به لحاظ تئـوری از رابطه زیر بدست می آید. برای یک متمرکـز کننـده خورشـيدی بـا گيرنـده‌ای در هـوا بعنـوان نمونـه بـا n=1 و θin=۰,۲۷° این مقدار ۴۶۰۰۰ خواهد بود. مقادیر بالاتر از آن به ازای n های بزرگتر از یـک بطریـق تجربـی بدسـت آمده است.[Gleckman et al, 1989] واگرایی نورخورشيد بخاطراندازه آن که قابل صـرف نظر نيسـت توسـط شـعاع خورشـيد و فاصله بين زمين تا خورشيد تعيين ميشود.

 برای یک متمرکز کننده خطی معادله سينوسی تابش بصورت معادلات زیر خواهـد بـود.

بـرای یـک پرتـو L یـک (Φin= Φout)متمرکز کننده ایده‌آل باید تمام جریان تابش روی کل سطح را نگاه‌دارد بطوریکه برای یک متمرکز کننـده خطـی ایـن جریـان از معادلـه اول بدسـت مـی آیـد و ضـریب تمرکـز از معادلـه دوم استخراج ميشود. برای یک متمرکز کننده خورشيدی در هوا این مقدار حدود ۲۰۰ خواهد بود.

 

 در CPV زاویه پذیرش عبارت از زاویه برخورد اشعه ایست که تحت آن، راندمان اپتيکی متمرکـز کننـده به ۹۰٪ بيشترین مقدار خود برسد. دو مشخصه هندسی راندمان اپتيکی و زاویه پذیرش برای یک متمرکز کننده نوری با یک سطح تمرکز تعيين شده در یک شکل گرافيکـی ماننـد شـکل زیر بخـوبی نمـایش داده ميشـود، جـایی کـه تغييـرات راندمان اپتيکی با تغيير زاویه پذیرش نشان داده شده است. شکل مسـتطيلی بـا خطـوط منقطـع در یک سمت زاویه مرزی منحنی، متناظر با متمرکز کننده ایده آل است که در آن تمامی زوایـای اشـعه ها در سطح خروجی با زاویه ای کمتر ازθ جمع آوری مـی شـود. خطـوط دیگـر دو مشخصـه متمرکـز کننده های غير ایده آل را نشان ميدهدکه زاویه پذیرش آنها در تطابق با ۹۰٪ راندمان اپتيکی تعریـف می گردد.

 

chart

شکل فوق راندمان اپتيکی در مقابل زاویه برخورد برای متمرکز کننده های خورشيدی را نشان می دهد. شکل مستطيلی با خطوط منقطع نشانگر مشخصات یک متمرکز کننده ایده آل ميباشد درحاليکه بقيه خطوط، هندسه متمرکز کننده های غير ایده آل را نشان ميدهد.
در حالت واقعی سطوح متمرکز کننده ها با ایده آلهای هندسی تفاوت دارد زیرا اشکال هندسی که اجازه بهترین نتایج را ميدهد به لحاظ تئوری بسيار محدود است و معمـولاً نيازمنـد سـاختار پيچيـده و مواد مخصوص ميباشد. این شرایط قيودی است برای رقابتی شدن قيمت متمرکز کننده هـا. بنـابراین مبادله ای بين قيمت و کارآیی باید انجام گيرد. همانطور که قبلاً تشریح شد بيشترین تمرکز به لحـاظ etendue تئوری برای یک سيستم اپتيکی محـدود اسـت. یـک سيسـتم اپتيکـی کـه بنـام الگرانـژ یـا ناميده ميشود برای بيان رابطه بين تمرکز و زاویه انحراف با توجه به محدودیتهای ترمودینـاميکی بکـار ميرود. این سيستم محدوده ای که انتقال تابش انجام ميگيرد را طبق رابطه زیر تعيين ميکند:

یک مجموعه اشعه را درنظر بگيریـد. یـک etendue ميتواند بصورت حجم یکپارچه ای درمحيط فازی با مشخصه جهت کسينوسی این اشعه ها و نيز موقعيت آنها در فضای واقعی نمایش داده شود. یک متمرکز کننده هندسی مانند اپراتوری عمل ميکند که دارای توابعی برای تغيير و اصلاح این حجم است. در این تغييرشـکل، etendue بایـد بـاقی بماند.
 

بالای صفحه نسخه چاپی   کلیه حقوق متعلق به مرکز تحقیقات الکترونیک فطروسی می باشد خانه | تماس با ما | نقشه سایت
  این سایت توسط شرکت آسمان پیدایش تهیه شده است.